大斷面隧道上硬下軟地層快速施工技術(shù)

鄭 東，汪樹生

(中鐵四局集團(tuán)有限公司，合肥 230022)

1 工程概況

集寧至包頭增建第二雙線工程八蘇木隧道地處內(nèi)蒙古高原低中山區(qū)，隧道穿越印河與大黑河的分水嶺，隧道里程DK525+046～DK533+230，全長(zhǎng)8 184 m。

本區(qū)地層巖性較為復(fù)雜，在入隧道前行進(jìn)于洪積地層及坡積層之上，穿越花崗巖及玄武巖，出隧道后走行于大黑河階地上迂回至既有線。隧道洞身通過(guò)地層主要有第四系全新統(tǒng)洪積層及坡積層，上第三系上新統(tǒng)玄武巖、泥巖夾礫巖、華力西中晚期花崗巖等。八蘇木隧道位于華北地臺(tái)內(nèi)蒙臺(tái)隆之涼城斷隆中，沿線斷裂褶皺構(gòu)造不發(fā)育，但新生代火山活動(dòng)頻繁，以基性噴發(fā)為特點(diǎn)，形成了大面積的玄武巖覆蓋層，具有典型的桌狀地貌形態(tài);并伴生有角度不整合，主要表現(xiàn)為:玄武巖與花崗巖、泥巖夾礫巖與花崗巖的角度不整合。第四紀(jì)表現(xiàn)為強(qiáng)烈的下切與側(cè)向侵蝕。

2 問(wèn)題的提出及方案的選擇

本隧道出口段 DK530+180～DK531+380(全長(zhǎng)1 200 m)，設(shè)計(jì)為Ⅲ級(jí)圍巖，隧道通過(guò)的地層為華力西中晚期花崗巖和上第三系上新統(tǒng)玄武巖，層厚5～60 m，支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)為拱墻網(wǎng)噴混凝土12 cm厚，拱部設(shè)置錨桿。

實(shí)際開挖揭露地層為，上半斷面為華力西中晚期花崗巖，整體性好，下半斷面為泥巖，泥巖具弱膨脹性，巖體成巖作用差，遇水自行剝落，巖層分解線與隧道縱坡基本一致，主要表現(xiàn)為花崗巖與泥巖的角度不整合，與設(shè)計(jì)地質(zhì)勘探資料出入較大。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察研究，設(shè)計(jì)變更為Ⅳ級(jí)圍巖，采用型鋼支護(hù)措施，鋼架間距1榀/m。

集寧至包頭增建第二雙線工程是內(nèi)蒙古煤炭外運(yùn)的快速通道兼客運(yùn)，為緩解京藏高速公路壓力，當(dāng)時(shí)工期緊張，需在4個(gè)月內(nèi)完成施工任務(wù)，Ⅳ級(jí)圍巖按照每月進(jìn)度指標(biāo)80 m計(jì)算，雙向施工需7.5個(gè)月，無(wú)法滿足工期要求，同時(shí)上半斷面圍巖穩(wěn)定性好，變更后增設(shè)的鋼支撐增加了工程成本。

根據(jù)上半斷面圍巖穩(wěn)定性好，下部泥巖開挖暴露后軟化變形的特點(diǎn)，提出了不變更圍巖支護(hù)級(jí)別，充分利用圍巖自身穩(wěn)定性這一特性［1-3］，在邊墻(即泥巖地段)增設(shè)錨桿，隨挖隨支，仰拱及時(shí)封閉成環(huán)，襯砌緊跟的快速施工方法，有效地改善了作業(yè)環(huán)境，提高了施工進(jìn)度指標(biāo)。

3 施工方法

總體思路:調(diào)整開挖臺(tái)階長(zhǎng)度，上半斷面硬質(zhì)花崗巖采用長(zhǎng)臺(tái)階光面爆破，下半斷面軟弱泥巖采用微臺(tái)階機(jī)械開挖;軟弱泥巖地層增加系統(tǒng)錨桿，隨挖隨支，及時(shí)封閉巖面，維護(hù)泥巖自身穩(wěn)定性;仰拱緊跟下臺(tái)階，確保初期支護(hù)及時(shí)封閉成環(huán);加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)觀察圍巖變化動(dòng)態(tài)，確保安全;優(yōu)化施工組織，調(diào)整作業(yè)工序時(shí)間和勞動(dòng)力配置，形成快速施工能力。

3.1 開挖參數(shù)調(diào)整

由原來(lái)兩臺(tái)階調(diào)整為三臺(tái)階施工，上部花崗巖整體性好，繼續(xù)采用大斷面開挖，臺(tái)階面設(shè)置在泥巖頂上1 m，上臺(tái)階長(zhǎng)度控制在25 m左右，采用預(yù)留光爆層減振光面爆破技術(shù)，盡可能地降低爆破振動(dòng)對(duì)下部泥巖的擾動(dòng)，臺(tái)階設(shè)置25 m是根據(jù)爆破后爆堆長(zhǎng)度和開挖臺(tái)架位置確定的，既要保證臺(tái)架安全，又要確保爆堆不影響下臺(tái)開挖。

下部泥巖分兩臺(tái)階施工，中部留核心土，兩側(cè)錯(cuò)開，挖機(jī)開槽掘進(jìn)，每個(gè)臺(tái)階高度2.5 m，臺(tái)階長(zhǎng)度控制在2 m［4-6］。留核心土兩側(cè)開槽掘進(jìn)，一是提高開挖功效，減少開挖量，能及時(shí)施作初期支護(hù)封閉圍巖;二是在邊墻圍巖發(fā)生變形時(shí)能及時(shí)提供支撐點(diǎn)或回填反壓。開挖斷面與施工步距見圖1、圖2。

3.2 支護(hù)參數(shù)調(diào)整

拱墻鋼筋網(wǎng)噴射混凝土12 cm厚，拱部花崗巖錨桿長(zhǎng)3 m，1.2 m×1.5 m布置;邊墻泥巖增設(shè)錨桿長(zhǎng)4 m，1.2 m×1.5 m 布置［7-11］，錨桿間采用 φ22 mm 鋼筋加強(qiáng)連接，并與上臺(tái)階花崗巖段錨桿連接成整體，鋼筋網(wǎng)搭接全部接頭均采用焊接，確保全斷面初期支護(hù)形成整體殼體，共同受力，形成有效地支護(hù)能力［1-3］。硬巖與軟巖結(jié)合部支護(hù)布置見圖3。

圖1 開挖斷面(單位:m)

圖2 各工序步距(單位:m)

圖3 硬軟結(jié)合部支護(hù)加強(qiáng)布置(單位:cm)

3.3 泥巖地層施工工藝流程

(1)中下臺(tái)階每次開挖不超過(guò)1 m，挖掘機(jī)開挖，人工修整巖面。

(2)初噴混凝土封閉圍巖，包括邊墻、核心土、正面掌子面均需噴射5 cm厚混凝土封閉。

(3)打設(shè)錨桿，長(zhǎng)度4 m，間距1.2 m×1.5 m，梅花形布置，錨固劑快速錨固，泥巖頂部向下50 cm一排錨桿調(diào)整角度打入上臺(tái)階花崗巖巖體內(nèi)，錨入花崗巖不少于2 m(圖3)。

(4)掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)采用φ8 mm鋼筋制作，鋼筋網(wǎng)接頭全部焊接。

(5)噴射混凝土12 cm厚完成本循環(huán)作業(yè)，進(jìn)入下一循環(huán)。

3.4 仰拱施工

仰拱緊跟、初期支護(hù)及早封閉成環(huán)是保證本方案施工安全的關(guān)鍵，仰拱與下臺(tái)階距離控制在3 m，每輪開挖3 m，仰拱端頭模采用定型鋼模，挖掘機(jī)配合人工安裝，加快立模速度，仰拱棧橋采用8 m輕型棧橋，加快安裝和拆除速度。

3.5 襯砌施工

襯砌與仰拱控制在15 m以內(nèi)，嚴(yán)格按照規(guī)范和驗(yàn)標(biāo)施工。

4 施工組織

4.1 勞動(dòng)力組織

本方法根據(jù)泥巖地層開挖暴露后軟化變形的特性，充分運(yùn)用新奧法施工原理，采取了短進(jìn)尺、快循環(huán)施工技術(shù)，及時(shí)有效地封閉圍巖和初期支護(hù)迅速封閉成環(huán)。相對(duì)于常規(guī)施工而言，要?jiǎng)趧?dòng)力進(jìn)行調(diào)整，以滿足快速施工的要求。設(shè)置開挖班組、錨桿班組、噴射混凝土班組、仰拱班組、襯砌班組，每個(gè)班組實(shí)行三班制，配足勞動(dòng)力，規(guī)范化作業(yè)，嚴(yán)格按照制定的工序循環(huán)時(shí)間和循環(huán)進(jìn)尺組織施工。

4.2 機(jī)械設(shè)備

除襯砌臺(tái)車外，所有機(jī)具設(shè)備按照正常施工的1.5～2.0倍配置，建立機(jī)械設(shè)備修理班組，負(fù)責(zé)日常的機(jī)械維護(hù)保養(yǎng)，確保機(jī)械設(shè)備有效運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.3 施工工序零對(duì)接

建立調(diào)度指揮系統(tǒng)和整點(diǎn)報(bào)告制度，所有工序在作業(yè)前、作業(yè)中、作業(yè)后均需向調(diào)度站報(bào)告，由調(diào)度站發(fā)出指令實(shí)現(xiàn)班組交接工作，下個(gè)班組均在上道工序完成前30 min在作業(yè)面等待交接，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)值班人員整點(diǎn)時(shí)必須向調(diào)度站報(bào)告施工進(jìn)展情況，通過(guò)調(diào)度指揮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工序的零對(duì)接。

5 監(jiān)控量測(cè)

拱部量測(cè)點(diǎn)每15 m設(shè)置1處，邊墻泥巖地層每3 m設(shè)置1處，同時(shí)提高泥巖地層的量測(cè)頻率，每天觀測(cè)4次［12］，通過(guò)量測(cè)資料分析，由于開挖后能快速實(shí)現(xiàn)初期支護(hù)封閉成環(huán)，拱部沉降最大值4.3 mm，邊墻收斂最大值9.7 mm。

6 效果評(píng)價(jià)與結(jié)論

八蘇木隧道在上硬下軟地層施工中，按照快速施工方法組織施工，平均日成洞5 m以上，月成洞150 m以上，四個(gè)月完成了本段1200 m的施工任務(wù)，達(dá)到了工期預(yù)定目標(biāo)。

隧道通過(guò)上硬下軟地層時(shí)，要仔細(xì)分析上部硬巖的穩(wěn)定性和下部軟巖的物理性能，在確保拱部安全穩(wěn)定的前提下，局部增強(qiáng)軟巖的支護(hù)措施，并對(duì)軟巖地層采用微臺(tái)階開挖，隨挖隨支，仰拱緊跟，初期支護(hù)迅速封閉成環(huán)，保護(hù)軟巖的自身穩(wěn)定性，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，合理調(diào)整勞動(dòng)力，優(yōu)化機(jī)械設(shè)備的配置，形成快速施工，對(duì)今后同類工程的施工具有指導(dǎo)意義。

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